延性金屬動態(tài)拉伸斷裂的微損傷聚集特性研究

延性金屬動態(tài)拉伸斷裂的微損傷聚集特性研究高強(qiáng)動載下延性金屬的動態(tài)拉伸斷裂(層裂)是材料動態(tài)損傷斷裂的一種典型方式,也是與武器物理過程緊密相關(guān)的重要基礎(chǔ)性問題。延性金屬的層裂是由于在沖擊波作用下,兩束相向運(yùn)動的稀疏波相互作用產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力脈沖。激活了材料內(nèi)部非均勻的微細(xì)觀結(jié)構(gòu),引起了材料內(nèi)部微損傷形核、增長以及聚集,最后形成宏觀斷裂面的物理力學(xué)過程。目前,針對延性金屬動態(tài)損傷演化的微損傷形核和增長階段已經(jīng)獲得了較為充分的認(rèn)識,但是對于損傷演化最關(guān)鍵也是最重要的聚集階段依然缺乏足夠的認(rèn)知和理解。這是因為,一方面,相對于微損傷的形核和增長,微損傷的聚集是一個迅速發(fā)展的過程,實驗上很難直接觀測;另一方面,微損傷的聚集行為是多尺度強(qiáng)耦合的動力學(xué)過程,難以建立微細(xì)觀尺度與宏觀斷裂行為之間的關(guān)聯(lián)。本論文在一級輕氣炮上開展了沖擊波加載實驗,通過設(shè)計微損傷聚集的時間相關(guān)性實驗,獲得了微損傷聚集演化的動力學(xué)特征,建立了微損傷聚集的高精度量化測試方法,提出了微損傷聚集的鍵逾滲模型,通過數(shù)值模擬研究校驗了模型的適用性,并對微損傷聚集演化特征進(jìn)行了深入解讀。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)基于微損傷聚集行為的強(qiáng)時間相關(guān)性特征,設(shè)計并開展了可調(diào)控時間的動態(tài)拉伸實驗。提出了通過控制沖擊加載速度,解耦加載應(yīng)力這一動力學(xué)條件的設(shè)計思路。在恒定的飛片-樣品厚度比下,通過飛片厚度的變化,實現(xiàn)了對動態(tài)拉伸實驗卸載時間和應(yīng)力持續(xù)時間的調(diào)控。在理論分析的基礎(chǔ)上,指出該設(shè)計對時間的調(diào)控,體現(xiàn)在宏觀自由面速度數(shù)據(jù)上是對拉伸應(yīng)變率的調(diào)控,有效地解決了拉伸應(yīng)變率不可獨(dú)立調(diào)控的難題。以一級輕氣炮為實驗加載設(shè)備,實現(xiàn)了對高純銅樣品的拉伸應(yīng)變率調(diào)控,并測量了樣品自由面速度,以及獲得了用于損傷聚集特征細(xì)觀表征的實驗樣品。宏觀自由面速度數(shù)據(jù)表明,高純銅的層裂強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)變率的增加而單調(diào)遞增,并具有明顯的臨界行為特征,當(dāng)應(yīng)變率低于臨界應(yīng)變率(60000s-1)時,Pullback點(diǎn)后的回跳斜率隨應(yīng)變率增加緩慢增加;但是當(dāng)應(yīng)變率高于臨界應(yīng)變率時,Pullback點(diǎn)后的回跳斜率隨著應(yīng)變率的增加而迅速增大。(2)基于跨尺度特征關(guān)聯(lián)的學(xué)術(shù)思想,建立了微損傷聚集的高精度量化測試方法。針對損傷量化表征的宏觀統(tǒng)計和微細(xì)觀特征之間跨尺度的關(guān)聯(lián)性,提出了能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、連續(xù)、高精度測量的表面輪廓測試技術(shù)。建立了以準(zhǔn)三維信息統(tǒng)計為基礎(chǔ)的微損傷識別方法,實現(xiàn)了對mm尺度損傷的準(zhǔn)確識別;提出了損傷量化的新算法,將損傷度曲線的空間分辨率由傳統(tǒng)方法的百mm尺度提高到了mm尺度。對高純銅的損傷特性分析指出:受損傷演化各階段主導(dǎo)機(jī)制的影響,微損傷的空間分布表現(xiàn)出不連續(xù)性特征,微損傷的聚集行為影響著損傷的分布特征和規(guī)律,并且表現(xiàn)出兩個臨界尺寸特性,即初始聚集尺寸和終態(tài)聚集尺寸。(3)基于對微損傷聚集過程中形狀演化規(guī)律的統(tǒng)計認(rèn)識,以臨界損傷演化動力學(xué)模型為基礎(chǔ),建立了包含形狀演化特征的微損傷聚集的鍵逾滲模型。通過對微損傷聚集行為分析,指出聚集行為是在外加場作用下,具有一定傾向性的場致逾滲過程。采用含非球形損傷的單胞模型,建立了微損傷聚集的逾滲軟化函數(shù)模型。通過定性分析指出:該模型能夠體現(xiàn)微損傷初始聚集以及最終斷裂的臨界性行為特征。而且由于本論文模型中考慮了微損傷聚集過程中拓?fù)湫螒B(tài)的影響,模型預(yù)測材料的初始聚集臨界損傷度與斷裂臨界損傷度比傳統(tǒng)模型更低,內(nèi)部應(yīng)力松弛速率更快。針對高純銅的微損傷聚集的形狀演化規(guī)律,建立了微損傷聚集的拓?fù)涮卣髋c損傷串級演化的跨尺度關(guān)聯(lián),通過對實驗的回收樣品損傷狀態(tài)和形狀因子的閉環(huán)分析,確定了鍵逾滲模型的參數(shù)。(4)開展了微損傷聚集的數(shù)值模擬研究,并對宏觀自由面速度響應(yīng)與微細(xì)觀聚集特性之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了深入解讀。通過對宏觀自由面速度的計算和比對,分析了微損傷聚集的主要影響特征,以及微損傷聚集的逾滲模型對跨尺度行為的關(guān)聯(lián)能力。通過對高純銅具有不同終態(tài)損傷實驗的模擬指出:樣品內(nèi)部聚集程度越高,聚集效應(yīng)對Pullback點(diǎn)之后自由面速度的影響范圍就越寬,模型能夠很好地再現(xiàn)不同加載條件下的自由面速度曲線,具有較強(qiáng)的適用能力。通過對平均損傷演化速率與拉伸應(yīng)變率的關(guān)系分析,指出隨著拉伸應(yīng)變率的增加,損傷演化速率呈現(xiàn)出臨界性特征,印證了宏觀的Pullback點(diǎn)后自由面速度回跳特征的臨界行為